全球温室气体遥感监测和盘点研究综述与展望

作者与发表信息

本文由刘良云等作者撰写，主要作者来自中国科学院空天信息创新研究院、中国科学院微小卫星创新研究院、南京大学国际地球系统科学研究所等多家机构。文章发表于《科学通报》（Scientific Bulletin），网络首发时间为2025年1月24日。

研究背景与主题概要

全球变暖作为当代最紧迫的环境问题之一，与人为温室气体排放密切相关。自工业革命以来，大气中CO2、CH4、N2O等温室气体浓度迅速增加，它们共同占据了98%的温室气体全球增温效应。《巴黎协定》确立全球升温控制在2°C以内的长期目标，并创建全球碳盘点（Global Stocktake, GST）机制，用以定期评估各缔约方温室气体减排行动成效。

卫星遥感因其高时空分辨率、全球覆盖和数据透明等特性，已成为温室气体观测与碳排放核算的重要手段。文章围绕全球温室气体监测领域现状，汇总了星地协同观测及多源数据同化等关键技术的最新成果，并剖析了相关科学问题与未来趋势，同时展望了中国在全球碳盘点中的技术发展方向及重点任务。

全文主要内容

1. 全球温室气体观测技术的星空地协同发展趋势

为了满足全球碳盘点需求，观测技术正在向多平台、多分辨率、精确度更高的方向发展。文章强调“星-空-地一体化”是未来发展的必然趋势，涵盖以下几个方面：

1. 地面遥感观测网络
   当前，全球主要的地基温室气体柱浓度观测网络包括：

   • 总碳柱浓度观测网（TCCON）
     TCCON覆盖39个站点，中国的香河站和合肥站是两个重要站点，其观测数据精度能够达到XCO2误差小于0.16%，XCH4误差小于0.4%。
     
   • 协作碳柱浓度观测网（COCCON）
     便携式设备提供了低成本的观测解决方案，尽管其精度稍逊于TCCON，但其灵活性和数据可用性是对TCCON网络的有效补充。
     
   • 大气成分变化探测网（NDACC）
     NDACC共有118个站点，尽管在南半球和非洲等地站点相对稀疏，但其长期数据已支撑超过50个星基探测仪的校正。

2. 航空监测技术

   • CONTRAIL及NGAP等国际长时序监测项目利用商业飞机搭载设备，对CO2、CH4等多种气体进行高频率采样分析，增强了跨区域的垂直廓线观测能力。
     
   • 航空高光谱成像技术提供了热点排放区域的高分辨率数据，对定量化评估点源排放发挥了独特作用。

3. 卫星遥感技术的发展与挑战
   自GOSAT（2009）发射以来，卫星观测技术取得巨大进步，包括OCO-2、TANSAT等卫星相继运行。近年来，商业化卫星如GHGSat通过25米级分辨率实现对点源排放的监测，但当前全球温室气体卫星观测仍存在分辨率偏低、观测时空不连续等问题。

2. 全球温室气体排放评估技术与问题

温室气体排放的评估分为人为排放、自然过程排放及其总净通量估算：

1. CO2人为排放的评估

   • 化石燃料与工业排放
     当前最常用的方法是自下而上估算技术，如EDGAR、BP和MEIC等数据库，但在国家尺度的排放估算差异较大。与此同时，基于碳卫星与污染物协同观测的自上而下反演方法已逐步应用，但受到观测精度限制，目前只能在区域尺度优化排放量估算。
     
   • 点源排放监测
     商业卫星（如GHGSat）的高分辨率成像和传统气象模型结合是点源排放量化的重要工具，研究表明利用Gauss烟羽模型可精确测算火力发电厂等目标的CO2排放。

2. 陆地生态系统碳汇与全球碳平衡评估
   陆地生态系统是缓解气候变暖的重要“碳库”，但其时空变化受气候变化和人为干扰影响很大。

   • 自下而上的生态系统模型模拟受限于参数初始化不确定性，估算结果差异可达40%以上。
     
   • 自上而下的碳同化系统结合卫星XCO2数据对区域碳汇优化反演取得较大进展，但受观测覆盖不足影响，尤其是在非洲、亚马逊等地其精度仍存在局限性。
     
   • 不同研究对陆地碳汇估算差异巨大，例如中国的陆地碳汇被估测在0.3到1.11 PgC/年。

3. CH4和N2O排放评估
   CH4贡献了全球气候影响的重要部分，其超级排放点（如油气开采场所）的识别和量化已成为热点，但当前卫星仍难以有效检测小型点源排放。
   N2O作为第三大的温室气体，其主要来源为农业活动（化肥使用），但监测网络的稀疏性影响了全球估算的精度。

3. 中国碳盘点技术的发展方向

文章系统分析了中国开展全球温室气体遥感监测的重要需求和技术创新方向，包括以下几点：

1. 下一代碳卫星研发
   中国计划在2026年发射具备高分辨率（4km）、高时频（每日观测）能力的TANSAT-2，目标精度可达到1 ppm，全力支持2028年第二次全球碳盘点。

2. 多源协同的生态系统同化系统
   整合多平台数据（星-空-地一体化）、开展模型改进，是未来中国提升全球和区域碳通量估算科学性的关键。

3. 建设数据驱动的温室气体核查平台
   构建基于人工智能和大数据算法的观测平台，以有效分离人为与自然排放源，支撑气候履约评估。

本文的意义与价值

本文系统综述了全球温室气体观测与盘点研究的现状、进展和主要挑战，同时结合中国“双碳”战略需求，提出面向未来的技术发展路线图。其价值在于：

1. 为全球碳盘点体系建设提供科学依据和实践路径；
   
2. 为中国提升国际气候谈判与履约责任中的话语权提供数据支持；
   
3. 推动温室气体卫星遥感技术和碳排放监测新领域的开拓。

本文的高水平论述对温室气体监测科学研究及其应用发展具有重要推动作用，同时增强了科学界对全球与区域气候行动的认知。